预塑性应变对纳米压痕硬度尺寸效应的影响

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1、万方数据第41卷第9期2005年9月机械工程学报v01．41No．9CHINESEJOURNALOFMECHANICALENGINEERINGsep．2O05预塑性应变对纳米压痕硬度尺寸效应的影响木杨辉钱林茂朱曼昊周仲荣(西南交通大学牵引动力国家重点实验室成都610031)摘要：试验研究了不同预塑性应变条件下纯铁纳米压痕硬度的尺寸效应，发现统计存储位错对应的硬度HMo随预塑性应变的变化与材料拉伸应力一应变曲线有很好的对应关系。纯铁预拉伸应变为0～10％时，透射电镜表明样品内位错组态呈等轴状位错胞。随应变的增加，位错密度急剧增加，导

2、致拉伸应力从150MPa快速增至320MPa，统计存储位错对应的硬度HMo从1．13GPa迅速增至2．05GPa。然而，随着应变的进一步增加，纯铁样品内位错组态转变为细条状的变形胞，对应的拉伸应力和硬度HMo增长缓慢。研究有助于揭示纳米压痕硬度尺寸效应的起源。关键词：纳米压痕硬度尺寸效应塑性应变位错中图分类号：THll7O前言近年来，随着表面涂层和纳米科技的飞速发展，迫切需要研究小尺寸器件(如薄膜和微型机械)的力学性能【lJ。其原因一方面在于力学性能决定了器件服役的可靠性，另一方面由于尺寸效应和表面效应的影响，材料的微观力学性能表

3、现出与宏观不同的特点【1]。其中，纳米压痕硬度不仅可以反映材料抵抗微观塑性变形的能力，也是评价薄膜耐磨寿命的重要指标，因而得到了广泛研究。不同于传统的压痕硬度，纳米压痕硬度的测量通常采用深度敏感的压痕技术和相应的分析方法，无需用光学手段测量压痕面积。测量中，首先将金刚石压头压入样品直至设定的深度或载荷，然后卸载至零，并精确记录压头载荷和位移，通过对载荷一位移曲线的分析即得材料的纳米压痕硬度和弹性模量【2】。大量的试验研究表明，许多材料的纳米压痕硬度随压痕深度的减小而迅速增加，表现出不同程度的压痕尺寸效应(Indentationsi

4、zee恐ct)例。从能量的角度，F．Froehlich等【4】指出硬度是材料发生单位体积变形所消耗的能量，包括压痕的体积变形能和自由表面能，由于压痕的自由表面面积随压痕深度的增加而增大，使得硬度表现出压痕尺寸效应。然而，目前普遍接受的还是应变梯度塑性理论。按照基于位错的应变梯度塑性模型，W．D．Ni】【和H．Gao[5]将材料内部的位错密度区分为统计存储位错密度}国家自然科学基金(50305029)、教育部“新世纪优秀人才支持计划”(NcET—04-0887)和四川省青年科学基金(04zQ026-004)资助项目。20041106

5、收到初稿，20050303收到修改稿(Statisticallystoreddislocationdens姆)和几何必需位错密度(Geome仃icallynecessa珂dislocationdensi够)。其中，统计存储位错密度与材料的塑性应变相关，决定均匀变形的应变硬化，通常不随压痕深度的变化而变化。而几何必需位错密度与材料塑性应变梯度相关，起着协调非均匀变形的作用。在纳米量级的范围内，几何必需位错密度随压痕深度的减小而急剧增加，导致纳米压痕硬度的增大，从而表现出硬度的压痕尺寸效应。迄今为止，以前的工作主要集中在应用应变梯度塑

6、性模型定性地解释试验结果，对影响纳米压痕硬度尺寸效应的各种因素尚缺乏深入的研究pJ。为了探讨位错密度对纳米压痕硬度尺寸效应的影响，试验研究了不同预塑性应变条件下纯铁纳米压痕硬度的尺寸效应。重点讨论材料的预塑性应变、位错组态和密度与纳米压痕硬度尺寸效应之间的关系。1试验材料和方法试验材料选用工业纯铁(铁的质量分擞为99．99％1。试验前在真空1100oC条件下进行12h扩散退火处理，以使材料组织均匀化。为得到不同预塑性应变的纯铁样品，按国标要求制成如图1所示的纯铁拉伸试样，在材料拉扭试验机f809AXia厂rorsionalTest

7、System，MTSSystemsCo印．，USA)上进行应变控制的拉伸试验。预塑性应变量分别选取2％、4％、6％、10％、20％和25％。为避免应变速率对拉伸结果的影响，试验中采用恒定的应变速率3×10_4s～。为满足纳米压痕硬度的测量要求，材料完成万方数据2005年9月杨辉等：预塑性应变对纳米压痕硬度尺寸效应的影响预塑性应变后，用线切割机从拉伸试样中部切下约3mm厚的样品，镶嵌在环氧树脂中，然后用600、800和1200筛号的碳化硅砂纸逐步打磨，最后依次采用w10、W3和W0．5的金刚石研磨膏将样品表面精抛至镜面。纳米压痕硬度

8、由纳米压痕仪(CSEM111蛐nJmentsSA，Switzerlanm测量，采用Berkovich型金刚石压头，在2～200lnN范围内选取了24种不同载荷，每种载荷重复测量20次。加载方式为线形加卸载，并保持加卸载时间各为30s，在最大载荷处保